蜥蜴呼吸之谜：单向气流可能追溯到2.7亿年前

根据美国犹他大学的一项最新研究表明，巨蜥肺部的气流主要是单向回路——一种跟鸟类、短吻鳄和恐龙相同的呼吸方法。这项研究结果发表在最近的Nature杂志上，提出了一种可能性：这种呼吸方式起源于2.7亿年前，比以前预测的还要早2千万年，在第一种鸟类出现之前1亿年。

研究的资深作者、犹他大学的生物学副教授C.G. Farmer说：“这种呼吸方式，似乎比任何人想象的更加常见和古老。单向呼吸，被认为对于辅助鸟类支持剧烈的活动（例如飞行），非常重要。现在我们知道，这种呼吸方式并不是鸟类所特有的。这表明，我们以前关于这种气流单向模式功能的观念是不正确的。这种呼吸方式不仅仅存在于快速代谢的动物身上，也存在于其它动物中。

但是，Farmer告诫说，因为蜥蜴的肺部具有不同于鸟类和鳄鱼的结构，也有可能，单向气流是由大约3千万年前的巨蜥祖先，和大约2.5亿年前的古蜥（archosaur，产生短吻鳄、恐龙和鸟类的类群）独立进化而来的。她说，必须通过研究更多的蜥蜴物种（例如壁虎和鬣蜥），来找到答案。

Farmer和两位犹他大学生物学家——第一作者、博士后Emma Schachner以及博士生Robert Cieri，连同哈佛大学生理学家James Butler一起进行了这项研究。这项研究是由美国解剖学会、美国哲学学会、美国科学基金会和私人捐赠者资助。

肺部的潮汐式气流与单向气流

人类和其他动物都有一种“潮汐式”呼吸模式：空气流入肺部的分支，越来越小的通道或小支气管，直到在称为肺泡的腔内到达尽头，在那里，氧气进入血液，二氧化碳离开血液进入肺部。然后，空气以相同的方式流回。

另一方面，鸟类具有双重呼吸，除具有肺外，并有从肺壁凸出而形成的薄膜气囊，鸟在休息时，主要靠肋间肌及腹部肌肉的运动，在肺部进行呼吸。当飞翔时，则主要靠胸肌的运动进行呼吸，气体经肺进入气囊后，再从气囊经肺排除，由于气囊的扩大和收缩，气体两次在肺部进行气体交换。这是鸟类适应飞翔生活的一种特殊呼吸方式。

Farmer在2010年发表的一项研究结果表明，在短吻鳄中大多存在一种由气动阀门控制的“单向”气流。这意味着，呼吸模式可能从2.5亿年前进化而来，那时鳄目动物（crocodilian）——短吻鳄和鳄鱼的祖先——从古蜥家族进化树中分离出来，引起飞龙目、恐龙和最终鸟类的进化。

这项新研究，在非洲大草原巨蜥（Varanus exanthematicus）——大约有73种巨蜥——中，发现了大多数的单向环状气流，尽管在其肺部区域有一些潮汐式气流。这意味着，单向气流可能并未出现在2.5亿年前的早期古蜥中，而是更早，在2.7亿年前的冷血双孔亚纲（diapsid，古蜥和鳞龙形下纲的共同冷血祖先）中，鳞龙形下纲（Lepidosauromorpha）是一组爬行动物，在今天包括蜥蜴、蛇和称为新西兰大蜥蜴的蜥蜴类生物。

单向气流可以帮助鸟类飞行，使其不会在氧气水平低的高海拔地区昏倒。在这项新研究之前，Farmer和其他人推测，单向气流可能已经帮助恐龙的祖先控制了地球，当时大气中的氧气水平低于2.51亿年前的二叠纪-三叠纪大灭绝——最糟糕的地球记录。她说：“但是，如果这种单向气流是由2千万年以前的一个共同祖先进化而来，它应该是在非常高的氧气水平下发生进化的。因此，这也给我们留下了单向气流进化起源的更深奥秘。”

研究是如何进行的

在Farmer早期对短吻鳄的研究中，她和同事们采用几种方法，主要展示了巨蜥肺部中的单向气流。他们进行了CT扫描和制作了巨蜥肺部的3D图像，将其肺部的解剖学结构可视化。他们在5只巨蜥的小支气管中手术植入了流量计，来测量气流的方向。

在这项研究中，研究人员利用10只死亡蜥蜴中移除的肺，他们将空气泵入和抽出肺部，测量了气流。他们还将充满葵花花粉颗粒或塑料微球的水，抽送经过肺部，花粉和微球的流动也显示了单向的气流。

这项研究之所以选用草原巨蜥，是因为它们比较大，因此更容易研究，它们重约1磅，从头到尾尖测量大约15英寸。巨蜥也具有一部分最高频率的耗氧率，在一定程度上，是因为它们不仅利用其躯干肌肉和肋骨呼吸，而且还利用“咽喉抽吸”——当蜥蜴突然张开咽喉将空气泵入其肺部。

巨蜥的肺部，在每个肺叶中，有超过十几个腔或小支气管。主要的气道能达到肺的长度，及其分叉出来的外侧支气管分支。

这项研究表明，空气进入蜥蜴的气管，然后流入通往肺部的两个主要通气管。但另一方面，空气不是以相同的方式潮式流回，而是以从一个侧面气道经一个小气流孔流入下一个气道。

似乎没有机械阀或括约肌，因此单向气流好像“只是从喷射中产生”，或者当气流经过肺气道内的弯曲时所产生的气动阀门产生。这从已经死亡的蜥蜴身上移除的肺部中所观察到的单向气流，也得到了进一步支持。